CN103207127A - 测定酸性气体在碱性吸收液中平衡溶解度的装置及方法 - Google Patents

Abstract

一种弱酸性气体在碱性吸收液中溶解度的测试装置，属于气体吸收及分离和石油化工等领域，适于测定弱酸性气体在不同气体分压力及不同温度下的平衡溶解度曲线。该装置由输气系统、反应罐、温控系统、取样系统、气体分压力测量系统、液样分析系统、气体体积测量系统七部分组成。不锈钢制的反应罐使得气体分压力测量范围增大，气液分别控温使得温度均匀并且使得磁力搅拌器的使用成为了可能，用智能仪表进行高精度的温度控制以及压力的显示，采用了酸解法进行液样的分析得到溶解度，用气体吹除上次实验残留在管道的液体以提高精度，并且采用了量气管作为气体体积测量的工具，保证了气体体积测量的精度，使实验结果更加的温度可靠。本发明装置测试性能稳定可靠，简单方便。

Description

测定酸性气体在碱性吸收液中平衡溶解度的装置及方法

 

技术领域

本发明属于气体吸收分离、石油化工以及废气处理等领域，主要用于测定弱酸性气体在碱性溶液中不同气体分压力及不同吸收温度条件下的平衡溶解度。

背景技术

在气体分离行业和石化行业中，吸收法是分离气体最常用的方法之一。其原理是根据不同气体在吸收液中溶解度的不同而实现气体分离的，因此，弱酸性气体在吸收液中的平衡溶解度成为设计分离装置以及分离过程的时候必不可少的参数，然而，当下存在的测定碱性吸收液中弱酸性气体溶解度的装置都存在着或多或少的问题。

首先，吸收温度的控制是个问题。为了使吸收温度保持均匀稳定，许多溶解度测定装置都需要采用水浴，但是水浴锅的大小以及深浅限制着吸收装置的大小，很难较为自由的设计吸收装置。其次，搅拌方式的选取成为一个问题。气液之间的传质低效率会导致气液之间长时间无法达到平衡，因此需要采用搅拌等手段使气液尽快达到平衡，但如果使用了水浴，就无法使用磁力搅拌器进行非接触式搅拌，只能采用机械搅拌，这就容易产生密封性不好的问题，因此很难使搅拌和水浴并存。再次，取样分析的困难也是个问题。徐伟^[1]等设计了一种测定气体在较高沸点液体中的溶解度的装置及方法，采用真空解析的方法和利用气体状态方程求得样品中气体的体积，方法虽然新颖，但是，真空解析同样会使液体蒸发，所取得的气体中的组分不只有溶解的气体成分，还应该有相当一部分蒸发的液体组分，利用状态方程求得的气体量对于实际气体有较大偏差，其结果有待验证，并且，其限定为没有化学反应的吸收，对应用范围有了很大的影响。针对取样难的问题，肖世才^[2]设计了一种测定溶解度的取样装置，但是如果用于气体溶解度的测量，取出的液样暴露大气，使得带压力的气体瞬间挥发，会使结果产生大量误差甚至错误，因而不能用于气体溶解度的取样。最后，设计的吸收装置的测量范围是个问题。焦真^[3]等设计了一套测定低分压CO₂在有机胺水溶液中的溶解度测定装置，其二氧化碳的产生采用碳酸氢钠和过量硫酸反应，因而其CO₂分压力相对很低，难以用作较大分压力的平衡溶解度测定。还有，分析溶解度的方法也存在问题。对气相和液相的分析，大都采用对气液分别进行分析的方式，但是，对气体取样会使装置复杂化，也容易产生密封性差的问题。

综上所述，设计一种能够解决上述几个难题，并且比较方便且准确测量实验结果的装置成为了最迫切需要解决的问题。

发明内容

本发明的目的在于解决吸收温度的控制、搅拌方式的选取、取样分析的困难、吸收装置的测量范围、分析溶解度的方法等问题，设计较为方便准确的测得弱酸性气体在碱性吸收液中的平衡溶解度的测试装置。

一种弱酸性气体在碱性溶液中平衡溶解度的测试装置，该装置由输气系统、反应罐、温控系统、取样系统、气体分压力测量系统、液样分析系统、气体体积测量系统七部分组成。

其中所述输气系统由气源、气路转换阀和进气阀构成；气路转换阀是一个三通阀门，一端连接气源，一端连接进气阀，另一端与取样系统相连，形成气源与进气阀和气源与取样系统两个气路，用来保证吸收装置用气以及取样系统辅助用气两部分的用气量；整个系统功能是保证装置使用时所有的用气量；输气系统的进气阀采用不锈钢针阀，防止因为腐蚀而产生漏气，保证装置有较长的使用寿命。

所述反应罐是用不锈钢加工而成的圆柱形容器，内部装有磁力搅拌器所用的搅拌子，底部平整；反应罐下面有一个磁力搅拌器，用来实现反应罐内的搅拌；反应罐罐体有进液口、进气管、液样取液口、温度控制A和温度控制B的2个温度传感器连接口以及压力显示的传感器连接口六个开口。其中反应罐顶部焊接有进气管，进气管下端距离反应罐底部约10毫米，以保证将气体输送到反应罐中液体的液面以下；进液口采用螺纹连接封口，保证液体进入后封闭不漏气；温度控制A和温度控制B的两个温度传感器螺纹与罐体上焊接的螺纹相连，用以保证密封性；液样取液口在反应罐侧面最下端，其与取样系统之间采用过紧配合进行连接，以保证不漏气、不漏液；压力显示的传感器与焊接于反应罐侧面的不锈钢管也采用过紧配合相连，避免反应罐上表面过多开口带来的问题，以保证密封性；整个反应罐是气体与吸收液进行吸收过程的场所，是整个吸收过程的枢纽。

所述温控系统由两个不同功率的加热套A和加热套B与温度控制A和温度控制B分别相连组成温度控制回路。而温度控制A和温度控制B均由一个Pt100热电阻、一个AI5180P智能控制仪表以及一个光电隔离单相交流调压模块组成。两个不同功率的加热套A和加热套B分别紧贴在反应罐外侧面，位于上部的加热套功率较小，用以实现对气体的温度控制，位于下部的加热套功率较大，用来实现液体温度控制；温度控制A和温度控制B的两个热电阻长短不同，温度控制A的热电阻长，且直接插到液体中，只测量液体的温度，与较大功率的加热套8形成回路，温度控制B的热电阻短，底端位于液面线以上，只测量气体的温度，与功率较小的加热套形成回路。也就是说，采用两套不同的温控系统以解决气液间由于比热不同而导致的温度分布不均匀问题，从而解决由于水浴产生的各种问题；该系统的功能是保证吸收温度的均一稳定，保证测得的不同分压下的溶解度是在相同的温度下。

所述取样系统由焊接在液样取液口的一段不锈钢管和三通阀构成。三通阀一端接钢管，一端连接液样分析系统，另一端接气路转换阀，从而分别形成液样取液口和液样分析系统以及气路转换阀与液样分析系统两个通路，转换三通阀以控制两个通路的通闭。液样取液口和液样分析系统之间的通路用来取样，将液样导入到液样分析系统，而气路转换阀与取样系统之间的通路，是为了将气体导入到三通阀与取样系统之间的通路中，吹掉每次实验进行之后残留在管道中的液体，避免不同实验之间的影响，提高仪器的精度。 

所述气体分压力测量系统由压力传感器和一块显示仪表构成。传感器与焊接在反应罐侧面的一段不锈钢钢管通过过紧配合连接，保证压力测量时密封且压力的显示同步；该系统通过充气前后系统总压力的不同，用总压力差值得到气体分压力的。因为装置通过氮气吹扫，以及温度恒定之后，非待测气体的分压是确定的，只要测定了充气前的反应罐系统总压力，就可以知道非待测气体在之后的过程中所占的分压力，从而可以通过总压减去非待测气体分压的方法确定待测气体的分压力。

所述液样分析系统利用硫酸是难挥发的强酸的特性，对液样进行分析，从而将液样吸收的酸性气体析出，再将析出的气体导入气体体积测量系统，从而可以测定液样中吸收的气体体积。本系统由硫酸瓶、电子天平和磁力搅拌器组成。硫酸瓶中盛有过量的5N硫酸和磁力搅拌器的搅拌子，硫酸瓶下面有磁力搅拌器；硫酸瓶可以被单独取下，可以自由称量硫酸瓶的重量及添加新的硫酸溶液；电子天平与整个装置不相连，独立存在，用以测量硫酸瓶的重量；该系统的主要功能是确定所取的液样的量。

所述气体体积测量系统由量气管和水准瓶组成。与液样分析系统相连。操作上采用连通器的原理，运用等压面的概念，在量取时保证水准瓶中的液体和量气管中液体的液面在同一压力下，即保证气体取样时的压力为一个标准大气压。该操作采用连通器的原理，运用等压面的概念，在量取时保证水准瓶中的液体和量气管中液体的液面在同一压力下，即保证气体取样时的压力为一个标准大气压。

弱酸性气体在碱性溶液中的溶解度测试过程如下：首先，对装置进行氮气吹扫，将吸收液加入反应罐，封闭进液口以及所有与反应罐相连的阀门。然后，将温度控制A和温度控制B的温度设定在所需要测定的温度，等到温度稳定之后记录下此时的压力P₀。之后，将气路转换阀打到气源与进气阀相通，打开进气阀，通入一定量的气体，关闭进气阀，等到气液平衡，压力显示的示数不再发生变化时候，记录此时的总压力P₁，从而得到气体分压力为P₁-P₀。此后，称量硫酸瓶的重量，记为m₀，将硫酸瓶连接好并打开磁力搅拌器，将三通阀打到与硫酸瓶相通的位置，放出2～3克液体然后关闭阀门，注意在打开三通阀同时使用量气管，待反应完全之后，记录产生的气体体积V。最后，称量硫酸瓶的质量得到m₁,从而得到液样的质量m₁-m₀，也就知道了有多少气体溶解于多少质量的吸收液中，从而得到溶解度。为了使得下一次实验结果精确，最终将气路转换阀1打到与取样系统相通的位置，用气体吹掉管路中残存的液体，从而减小管路残留液体对实验结果的影响。

本发明提出的气液分别控温、取样装置气吹残留液、硫酸解吸和磁力搅拌等方式保证了该发明装置测试性能的稳定可靠，简单方便，是研究酸性气体在碱性吸收液中溶解度特性参数的有力试验装置，适用于不同碱液不同弱酸性气体在不同温度、不同气体分压力下平衡溶解度的测量。

附图说明

图1是本发明装置的工作原理示意图；

图1中：1. 气路转换阀；2. 进气阀；3. 进液口；4.温度控制A；5. 温度控制B；6. 压力显示；7.反应罐；8. 加热套A；9.加热套B；10.三通阀； 11. 磁力搅拌器A；12. 磁力搅拌器B；13. 硫酸瓶；14.量气管和水准瓶； 

图2是本发明装置中反应罐的简图；

15. 进气管；16. 液面线；17. 取液口； 

具体实施方式

本发明实施实例通过测定不同吸收温度和不同CO₂分压力下有机胺溶液吸收CO₂的溶解度实验。反应罐的直径101毫米，高度200毫米。本实施实例配制质量分数为百分之十的乙醇胺550克作为吸收液，配制5N硫酸150毫升作为酸解使用。

参见图1和图2，反应罐7有进气管15、进液口3、压力显示6、取液口17、以及安装温度控制A4的热电阻和温度控制B5六个开口。反应罐中液体的量以液面线16没过温度控制A4的热电偶下端约3～4厘米为准。反应罐外包有加热套A8和加热套B9分别与温度控制A4和温度控制B5形成两个温度控制回路。温度控制A4和温度控制B5均是一块光电隔离单相交流调压模块连接一块AI5180P智能控制仪表，再与一根Pt100热电阻相连，形成温度控制部分。

将配好的乙醇胺溶液从进液口3加入反应罐7，之后将进液口3密封，开启磁力搅拌器11，将温度控制A4和温度控制B5调到所需温度，等待温度稳定，且压力显示6的压力不再变动时，记录此时显示仪表的压力P₀，将气路转换阀1打到与进气阀2相通的状态，打开进气阀2，将气体充入反应罐7，等待1-2小时，关闭进气阀2，再等待1个小时直到压力显示6的数字不再变化为止，此时反应罐内达到平衡，记录此时压力显示6显示的压力P₁，从而得到此时的二氧化碳分压力P₁-P₀。

称量硫酸瓶13的质量m₀后，开启磁力搅拌器12；打开三通阀10取液体3～4克后关闭三通阀，同时用量气管测量产生的气体的体积，记录此时的气体体积作为V；然后继续称量硫酸瓶13的质量m₁，得到取液的质量m₁- m₀，将气路转换阀1打到与取样系统相通的位置，吹除管路内残余的液体；然后用所得的体积V，分压力以及取液的质量，可以得到酸性气体在碱性吸收液中的溶解度；继续重复上述过程，直到测出一条分压力与溶解度的溶解度曲线为止；操作实例结束。

Claims (6)

1.一种弱酸性气体在碱性溶液中平衡溶解度的测试装置，其特征在于该装置由输气系统、反应罐、温控系统、取样系统、气体分压力测量系统、液样分析系统、气体体积测量系统七部分组成；

其中所述输气系统由气源、气路转换阀（1）和进气阀（2）构成；气路转换阀（1）是一个三通阀门，一端连接气源，一端连接进气阀（2），另一端与取样系统相连，形成气源与进气阀和气源与取样系统两个气路，用来保证吸收装置用气以及取样系统辅助用气两部分的用气量；整个系统功能是保证装置使用时所有的用气量；

所述反应罐（7）是用不锈钢加工而成的圆柱形容器，内部装有磁力搅拌器A（11）所用的搅拌子，底部平整；反应罐下面有一个磁力搅拌器A（11），用来实现反应罐内的搅拌；反应罐罐体有进液口（3）、进气管（15）、液样取液口（17）、温度控制A（4）和温度控制B（5）的2个温度传感器连接口以及压力显示（6）的传感器连接口六个开口；其中反应罐（7）顶部焊接有进气管（15），进气管（15）下端距离反应罐底部10毫米，以保证将气体输送到反应罐中液体的液面（16）以下；进液口（3）采用螺纹连接封口，保证液体进入后封闭不漏气；温度控制A（4）和温度控制B（5）的两个温度传感器螺纹与罐体上焊接的螺纹相连，用以保证密封性；液样取液口（17）在反应罐侧面最下端，其与取样系统之间采用过紧配合进行连接，以保证不漏气、不漏液；压力显示（6）的传感器与焊接于反应罐（7）侧面的不锈钢管也采用过紧配合相连，避免反应罐上表面过多开口带来的问题，以保证密封性；整个反应罐（7）是气体与吸收液进行吸收过程的场所，是整个吸收过程的枢纽；

所述温控系统由两个功率不同的加热套A（8）和加热套B（9）与温度控制A（4）和温度控制B（5）分别相连组成温度控制回路；而温度控制A（4）和温度控制B（5）均由一个Pt100热电阻、一个AI5180P智能控制仪表以及一个光电隔离单相交流调压模块组成；两个不同功率的加热套A（8）和加热套B（9）分别紧贴在反应罐（7）外侧面； 

所述取样系统由焊接在液样取液口（17）的一段不锈钢管和三通阀（10）构成；三通阀一端接钢管，一端连接液样分析系统，另一端接气路转换阀（1），从而分别形成液样取液口（17）和液样分析系统以及气路转换阀（1）与液样分析系统两个通路，转换三通阀（10）以控制两个通路的通闭； 

所述气体分压力测量系统由压力显示（6）构成，而压力显示（6）则由压力传感器和一块显示仪表构成；压力显示（6）的传感器与焊接在反应罐（7）侧面的一段不锈钢钢管通过过紧配合连接，保证压力测量时密封且压力的显示同步；该系统通过充气前后系统总压力的不同，用总压力差值得到气体分压力的；因为装置通过氮气吹扫，以及温度恒定之后，非待测气体的分压是确定的，只要测定了充气前的反应罐系统总压力，就可以知道非待测气体在之后的过程中所占的分压力，从而可以通过总压减去非待测气体分压的方法确定待测气体的分压力；

所述液样分析系统由硫酸瓶（13）、电子天平和磁力搅拌器（12）组成，硫酸瓶（13）中盛有过量的5N硫酸和磁力搅拌器（12）的搅拌子，硫酸瓶下面有磁力搅拌器（12）；硫酸瓶（13）能被单独取下，能自由称量硫酸瓶（13）的重量及添加新的硫酸溶液；电子天平与整个装置不相连，独立存在，用以测量硫酸瓶（13）的重量； 

所述气体体积测量系统由量气管和水准瓶（14）组成，与液样分析系统相连。

2.如权利要求1所述的弱酸性气体在碱性吸收液中溶解度的测试装置，其特征是输气系统的进气阀（2）采用不锈钢针阀，防止因为腐蚀而产生漏气。

3.如权利要求1所述的弱酸性气体在碱性吸收液中溶解度的测试装置，其特征是位于上部的加热套（9）功率较小，用以实现对气体的温度控制，位于下部的加热套（8）功率较大，用来实现液体温度控制；温度控制A（4）和温度控制B（5）的两个热电阻长短不同，温度控制A（4）的热电阻长，且直接插到液体中，只测量液体的温度，与较大功率的加热套（8）形成回路，温度控制B（5）的热电阻短，底端位于液面线（16）以上，只测量气体的温度，与功率较小的加热套（9）形成回路。

4.如权利要求1所述的弱酸性气体在碱性吸收液中溶解度的测试装置，其特征是所述的反应罐（7）采用全不锈钢制作，所有开口均采用过紧配合以及螺纹连接，能够承受较高的压力，增大了溶解度的测量范围。

5.一种采用权利要求1所述的测试装置的弱酸性气体的测试方法，其特征是弱酸性气体在碱性溶液中的溶解度测试过程如下：首先，对装置进行氮气吹扫，将吸收液加入反应罐（7），封闭进液口（3）以及所有与反应罐（7）相连的阀门；然后，将温度控制A（4）和温度控制B（5）的温度设定在所需要测定的温度，等到温度稳定之后记录下此时的压力P₀；之后，将气路分离阀（1）打到气源与进气阀（2）相通，打开进气阀（2），通入一定量的气体，关闭进气阀（2），等到气液平衡，压力显示（6）的示数不再发生变化时候，记录此时的总压力P₁，从而得到气体分压力为P₁-P₀；此后，称量硫酸瓶（13）的重量，记为m₀，将硫酸瓶（13）连接好并打开磁力搅拌器（12），将三通阀（10）打到与硫酸瓶（13）相通的位置，放出2～3克液体然后关闭阀门，注意在打开三通阀（10）同时使用量气管和水准瓶（14），待反应完全之后，记录产生的气体体积V；最后，称量硫酸瓶（13）的质量得到m₁,从而得到液样的质量m₁-m₀，也就知道了有多少气体溶解于多少质量的吸收液中，从而得到溶解度。

6.如权利要求5所述的弱酸性气体在碱性吸收液中溶解度的测试方法，其特征是在实验结束后，最终将气路转换阀（1）打到与取样系统相通的位置，用气体吹掉管路中残存的液体。

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